影响细菌生长的物理因素--水处理微生物学

2.4.1.1　温度

细菌的生命活动是由复杂的物理化学反应组成的，而这些反应只有在一定温度范围内才能正常进行，因此，温度是影响细菌生长的最重要的环境因素之一。

随着温度的升高，细胞内酶促反应加快，代谢和生长也相应加快。如果温度过高会导致细胞内的各种生物活性物质变性，甚至导致细胞死亡。所以，细菌有四种基本温度：最低生长温度、适宜生长温度、最高生长温度和极端温度。

最低生长温度是指细菌进行生长繁殖的最低温度界限。此温度下的细菌生长非常缓慢，如果低于这个温度，细菌会停止生长。

适宜生长温度是指细菌生长速度最快的温度。不同的细菌适宜温度不一样。

最高生长温度是指细菌进行生长繁殖的最高温度界限。此温度下细胞易于衰老和死亡，如果高于这个温度，细菌会死亡。

极端温度是指超高温或超低温。超高温是在最高温度以上，对细菌有致死作用。极端温度对细菌的影响主要表现在破坏细菌机体的基本组成物质——蛋白质、酶蛋白和脂肪。蛋白质在高温下发生凝固，为不可逆变性，和鸡蛋煮熟以后不能在孵化出小鸡的道理一样。超高温致死细菌的另外一个原因是细胞脂膜的脂肪受热溶解，使膜产生小孔，细胞内物质外泄而致死。高温灭菌就是利用的这一原理。

因此，细菌只有在适宜的温度范围内才能大量生长繁殖。根据一般细菌对温度的不同需求，可以将细菌分为四大类：嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌和嗜超热菌（超嗜热菌）。大多数的细菌是嗜中温菌，嗜冷菌和嗜热菌占少数。

1.嗜冷菌

嗜冷菌是指最适宜生长温度在5～15℃，最高不超过20℃，最低温度在0℃或更低也能生长的细菌。所以，在低温下冷藏的肉类、奶类、蔬菜、水果等仍然有可能因嗜冷细菌而引起变质，甚至腐烂。只有使食物冻结，才能防止细菌的侵害。即使在南、北极地终年冰雪的环境中，仍然有细菌生长。

嗜冷细菌能在低温下生长的机理还不是完全清楚，目前认为主要的原因有三种：①嗜冷细菌的酶能在低温下更有效的催化生化反应，温度稍微高（30～40℃）酶失去活性；②嗜冷细菌的细胞脂膜含有大量的不饱和脂肪酸，在低温下能保持半流动性；③嗜冷细菌的主动输送营养物质的功能运转良好，能有效的供应必需的营养物质。

有很多细菌在冰点以下也不会死亡，只会抑制它的生长，一旦遇到适宜的生长环境可以继续生长繁殖。

2.嗜中温菌

嗜中温菌最适宜生长温度在20～40℃，最低生长温度为10～20℃，最高生长温度为40～45℃。绝大多数的细菌属于嗜中温细菌。废水生物处理中的细菌的最适宜温度在30℃左右。

嗜中温菌之所以在低于10℃的环境中不能生长，可能的原因是10℃以下酶的活性受到抑制，蛋白质合成过程不能启动。

3.嗜热菌和嗜超热菌

嗜热菌和嗜超热菌是比较特殊的细菌，凡是在55～75℃之间生长良好，在37℃以下不能生长的为专性嗜热菌；凡是在55～75℃之间生长良好，在37℃以下也能生长的为兼性嗜热菌；75℃以上生长良好的为嗜超热菌，如古细菌（113℃）。

嗜热菌最适宜的生长温度是50～60℃，能在45～50℃以上的条件下生长，环境温度低于35℃一般不能生长。多见于温泉和堆肥中，有的可以在接近100℃的高温中生长。

嗜热菌的耐热性与其本身的一些特性有关：①菌体内的酶和蛋白质有较强的抗热性；②细胞中的饱和脂肪酸含量高，使得细胞膜在高温下能保持其稳定性并维持正常的功能；③核酸有较高的热稳定性；④在高温下生成生物大分子的速度加大，能弥补高温造成的损伤。

嗜热菌的耐热性在实践中有很重要的作用，嗜热菌用于发酵具有周期短、效率高等优点。

2.4.1.2　水的活度和渗透压

细菌的生命活动离不开水，干燥会导致细胞失水造成代谢停滞甚至死亡。在干燥环境中，温度越高，细菌越容易死亡，缓慢干燥死亡较多，而快速失水不易死亡。

细菌可以利用水的量取决于水被吸附的紧密程度和有机体把水移进体内的效力大小。

1.水的活度aw

水的活度表示在一定温度下，某溶液或物质在与一定空间空气相平衡时的含水量与空气饱和水量的比值，用小数表示。表示水被吸附和溶液因子对水可利用性的影响的一种指标。它和相对湿度相对应。比如空气相对湿度为75%，此时溶液或者物质的aw为0.75。

大多数的细菌在aw为0.95～0.99时生长最好。嗜盐细菌比较特殊，它们的aw在低于0.80的含氯化钠的培养基中生长最好。在aw为0.60～0.65时，大多数细菌停止活动。

2.渗透压

水或溶剂通过半渗透膜进行扩散叫渗透；水或溶剂通过半渗透膜时的压力叫渗透压。渗透压的大小与溶液的浓度成正比。例如：5g/L的氯化钠溶液和15g/L的氯化钠溶液被半渗透膜隔开，5g/L的氯化钠溶液中的水分子会进入15g/L的氯化钠溶液中，15g/L的氯化钠溶液中的水分子也有一部分透过半透膜进入5g/L的氯化钠溶液，由于最后要达到浓度差最小，所以5g/L的氯化钠溶液的水分子进入15g/L的氯化钠溶液的较多，最后我们看到的是15g/L的氯化钠溶液一侧的液面升高。当升高的液面不再变化时，渗透达到平衡。此时由液面差产生的压力就是渗透压。

细菌的生活环境必须具有与细胞相适应的渗透压。突然改变渗透压会使细菌失去活性；逐渐改变渗透压，细菌有时候可以适应这种改变。在细菌体中有以高浓度状态存在的磷酸盐、磷酸脂、嘌呤、嘧啶等，革兰氏阳性菌在体内还浓聚某些氨基酸，使得渗透压比较高（20～25）×101kPa；革兰氏阴性菌的渗透压低一些（5～6）×101kPa。

不同的渗透压对细菌有不同的影响。(www.xing528.com)

在等渗溶液中细菌生长的很好，此时细胞质膜两侧的溶液溶质的浓度相等，细菌保持原形。常用的等渗溶液是0.85%的NaCl溶液。

在高渗溶液中，细胞外浓度大于细胞内浓度，根据渗透原理，此时水分由细胞内向细胞外扩散，导致细胞内水分减少而使细胞脱水，细菌发生质壁脱离而死亡。腌渍咸菜和制作蜜饯就是利用高渗溶液来保存食品。

在低渗溶液中，细胞内浓度大于细胞外浓度，根据渗透原理，此时水分由细胞外向细胞内扩散，细胞会因吸水膨胀导致破裂。利用低渗溶液可以破碎细胞。

由于低渗溶液和高渗溶液都不利于细菌的生长，我们在培植培养基的时候要保证培养基的渗透压不大于细菌体的渗透压。也有一些细菌本身能适应不同的渗透压环境，主要是它能调节体内的离子浓度。此外，还有一些细菌可以在高渗溶液中生长，在淡水中不能生长，像盐湖和果汁里生长的细菌，可以把这一类细菌用于含盐量较高的废水生物处理中。

2.4.1.3　表面张力

表面张力是作用于液体表面上任意假想直线的两侧，垂直于该直线且于液面相切，并能使液面具有收缩趋势的拉力。其原因是液体的表面总是试图达到能量最低的状态。表面张力的大小与液体性质及液面外相邻物质的性质有关，还与温度以及液面中所含的杂质有关。从微观上看，表面张力是由于液体表面层内分子之间的相互作用不同于液体内部，从而使表面层具有一种特殊性质的结果。

不同的物质其表面张力不同，常温下纯水的表面张力是7.2×10-4 N/cm，一般液体培养基的表面张力为4.5×10-4～6.5×10-4 N/cm。细菌在此条件下可以生长。如果表面张力过低，会影响细菌的形态、生长和繁殖，使细胞增大，甚至崩解、死亡。

表面张力的大小是可以改变的，能够改变液体表面张力的物质称为表面活性剂。表面活性剂有阴离子型、阳离子型和非离子型三类。表面活性剂加入培养基中可以影响细胞的生长和分裂。

阳离子型表面活性剂主要是季氨盐类化合物，它对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有明显的杀菌作用。它的作用机制主要是：降低表面张力，便于机械除菌；季氨盐类化合物是酶的抑制剂，能使蛋白质变性；季氨盐类化合物穿透力好，能破坏细胞膜，造成渗漏。因此，季氨盐类化合物广泛被用于杀菌消毒。

阴离子型表面活性剂主要是肥皂液，它的作用机理是机械除菌，细菌表面张力降低，附着在肥皂泡沫中被水冲掉。所以这一类的表面活性剂杀菌和消毒的能力相对于阳离子型表面活性剂弱。

非离子型表面活性剂主要是一些高分子化合物，它不电离，也没有抑菌活性。

表面张力是润湿的函数。如果细菌不被液体培养基润湿，细菌表面生成一层薄膜；如果细菌被液体培养基润湿，细菌在培养基中均匀生长，培养基变浑浊。为了使细菌呈薄膜状生长，可以增加类脂质的含量。

2.4.1.4　辐射

辐射是能通过空间传播的一种物理现象。能量借助波动传播的现象称电磁辐射；能量借助原子或者亚原子粒子高速运动传递的现象称为微粒辐射；与细菌有关的电磁辐射主要有可见光和紫外光；与细菌有关的微粒辐射主要有X射线和γ射线。

1.可见光

可见光是波长在400～800nm的电磁辐射，它为光合细菌提供能源。一般情况下，可见光对大多数细菌没有影响，但是，太强或者连续的可见光照射会引起细菌的死亡。

2.紫外辐射

紫外辐射是电磁辐射中波长在200～390nm范围内的部分，其中260nm左右的紫外辐射杀菌力最强。但是，透过大气层到达地球表面的紫外辐射波长为287～390nm，所以散射日光的杀菌能力很弱。只有飘到极高处的细菌或者是被带到太空去的细菌才会很快被紫外辐射杀死。

紫外辐射杀菌的机理是：细胞中的各种物质对紫外辐射有较强的吸收能力，DNA和RNA对紫外辐射的吸收峰在260nm处，蛋白质对紫外辐射的吸收峰在280nm处。当细菌被紫外线照射时，细胞的DNA吸收能量，在DNA链上形成了胸腺嘧啶二聚体，使得腺嘌呤无法正确配对，从而干扰了DNA的复制和蛋白质的合成，造成细菌的死亡；紫外辐射杀菌力随其剂量的增加而增强，辐射量不足时会引起细菌的变异。

不同细菌或不同的生理状态对紫外线的抵抗力不同：一般革兰氏阴性菌对紫外线敏感，革兰氏阳性菌次之；芽孢比营养细胞抵抗紫外线的能力强；对数生长期的细菌抵抗能力强。

紫外线易于被固体物质吸收，所以穿透力很差，不能透过普通的玻璃和纸张。被应用于空气、水和物体表面的消毒。紫外辐射杀菌灯是人工制造的低压水银灯，它发出的波长是253.7nm，其杀菌力强而稳定。如果用面积来计算，30W的紫外灯用于15m2的房间照射20～30min即可杀死空气中的细菌（空气湿度在55%以下），照射时间越长，杀菌效果越好。紫外辐射杀菌灯广泛应用于生物实验室、医院及公共场所的空气消毒。使用时注意，直射的紫外线对眼睛和皮肤有刺激和灼烧作用，会损伤皮肤和眼结膜，所以，当人进行操作时不可开紫外辐射灯。空气在紫外照射下产生O3，臭氧有一定的杀菌作用。

3.电离辐射

电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多，高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子，不带电粒子有种子以及X射线、γ射线。X射线和γ射线的性质大致相同，是不带电波长短的电磁波，因此把他们统称为光子。两者的穿透力极强。X射线波长范围是0.1～0.01nm，生物学上用X光机产生；γ射线的波长范围是0.01～0.001nm，γ射线由钴、镭等放射性元素产生。X射线和γ射线对细菌的影响：低剂量（0.93～4.65Gy）照射促进细菌生长或使细菌发生变异；高剂量（9.3×102Gy以上）照射对细菌有致死作用。

电离辐射对细菌的作用不是直接对细胞成分起作用，而是间接地通过射线引起环境中水分子和细胞中水分子吸收能量后电离，产生自由基，后者与细胞中敏感大分子反应，使之失活。

电离辐射是非专一性的，能作用于一切细胞成分，细菌的死亡通常是对它们的DNA作用的结果。γ射线具有非常强的穿透能力和杀菌效果，常用作杀菌剂。

2.4.1.5　液体静压力

在深海中或是深油井中，有很高的静压力，在水深11km处的压力是水面的1000倍以上。通常陆地上的细菌和海洋里的细菌在20～60MPa时就不能生长，但是仍然有极少数的细菌可以生长，它们被称为专性嗜压菌。它们虽然可以在极高的压力下生长，但是生长速度极其缓慢，比其他常压下的细菌慢1000倍左右。

2.4.1.6　超声波

频率在2×104 Hz以上的超声波具有强烈的生物学效应。超声振荡在液体介质中会引起空化作用，产生大量直径10μm左右的空泡，空泡随后爆炸，爆炸过程产生的冲击波和局部高温可以导致细胞破裂。细胞受损伤的程度决定于超声波的频率、处理时间、细菌种类、细胞大小、形状和数量等因素。发光细菌要经过1.5h才死亡。一般情况是：球菌比杆菌抗性强，革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌抗性强；细菌芽孢一般不受超声波的影响。